3D打印技术通过材料逐层堆积成形的方法以零件三维数字模型为基础完成实体制造成形,具有快速、准确制造复杂结构零件的优势。熔融沉积成型作为一种被广泛应用于成形热塑性树脂材料零件的3D打印技术,由于成形材料多为普通树脂材料,通过该技术制造的零件通常力学性能较差,较大程度限制了其在工业领域的应用。近年来,使用耐高温树脂材料及纤维增强树脂复合材料等打印材料以获得性能优异的熔融沉积成形打印件成为研究热点并具有广阔应用前景。但由于短纤维增强耐高温树脂复合材料熔点高熔融粘度大,成形难度大,目前关于短纤维增强耐高温树脂的研究较少,打印工艺尚不成熟;长纤维材料因其具有连续性而无法像树脂材料那样实现在打印过程中路径任意跳转,长纤维打印路径规划和添加方式受限。针对这一问题,本研究设计含长纤维切断机构的纤维增强树脂复合材料FDM-3D打印设备,并开发相应的控制系统和切片软件,实现短纤维增强耐高温树脂复合材料和长纤维增强树脂复合材料的打印成形。本课题开展的主要研究如下:根据耐高温树脂材料和预浸长纤维材料的理化特性分析打印设备要求,设计包含短纤维增强耐高温树脂打印喷头和预浸长纤维打印喷头的多喷头结构,依据长纤维打印过程中纤维切断的必要性和可行性,分析合适的切断位置并在长纤维打印喷头上设计以舵机驱动的长纤维切断机构;研究FDM-3D打印设备的运动方式,成形平台及设备外壳等,并进行虚拟装配,搭建纤维增强耐高温树脂3D打印设备。研究长纤维增强树脂复合材料3D打印控制系统。设计包括主要的运动驱动模块、温度控制模块和切断控制模块的3D打印控制系统各功能模块,对硬件电路进行集成,开发出适用于长纤维树脂复合材料FDM-3D打印的控制板,对控制板进行3D打印固件配置和烧录以控制打印设备实现各模块功能。研发考虑长纤维路径规划切断处理的复合材料多喷头打印切片软件。设计长纤维填充添加和随形添加两种打印路径,提出长纤维切断与装填的路径处理策略以及切断和装填命令插入条件,实现可进行长纤维路径规划和切断的多喷头打印模型切片。研究不同打印参数对短纤维增强聚醚醚酮零件力学性能的影响。结果显示,喷嘴温度从400℃升到440℃,PEEK、CF/PEEK和GF/PEEK的拉伸强度、弯曲强度明显提高;底板温度280℃时,CF/PEEK的拉伸强度最大为96MPa,可达注塑PEEK拉伸强度的95%,GF/PEEK的弯曲强度最大,且高于注塑PEEK的弯曲强度,喷嘴温度和底板温度均对CF/GF-PEEK的冲击性能变化不大;随着打印速度从5 mm/s增长到25 mm/s,PEEK、CF/PEEK和GF/PEEK的拉伸强度分别降低了12%、8%和10%,弯曲强度分别降低了 14%、8%和11%;当打印速度从5 mm/s提高到25 mm/s时,CF/PEEK和GF/PEEK的冲击强度急剧下降,分别降低51%和68%。进行预浸长纤维增强尼龙树脂复合材料打印实验,验证切片软件的两种长纤维打印方式和长纤维路径处理的合理性,证明纤维增强树脂3D打印系统的可行性。实验结果显示,打印层厚和打印速度对长纤维打印质量最为关键,打印层厚为0.125 mm,打印速度为10 mm/s时,可以获得较好的长纤维打印质量。